煤层开采厚度变化对上覆松散含水层影响研究

张志祥，张永波，王 雪，耿逸鹏，钟媛媛，田嘉超

(太原理工大学 水利科学与工程学院，山西 太原 030024)

特殊采煤与矿区环境治理

煤层开采厚度变化对上覆松散含水层影响研究

张志祥，张永波，王 雪，耿逸鹏，钟媛媛，田嘉超

(太原理工大学 水利科学与工程学院，山西 太原 030024)

为确保煤矿区地下水资源的可持续利用，采用数值模拟方法研究煤层开采厚度变化对上覆松散含水层的影响。结果表明：对于新近系含水层，在采厚小于6m时，含水层未被疏干，在采厚为6，8，10和12m时，含水层均被疏干，疏干时间分别为300，270，150和120d；对于第四系含水层，在采厚小于10m时，含水层未被疏干，在采厚为10，12m时，含水层均被疏干，疏干时间分别为90，60d。研究成果为煤矿区松散含水层地下水资源保护提供依据。

煤层开采厚度；松散含水层；数值模拟；地下水

多年来，煤炭开采对地下水影响的研究受到广泛关注。上世纪七八十年代，国外学者Stoner J D[1]，Booth C J[2]等进行了采煤对含水层影响的初步研究。国内研究始于九十年代，学者们分别从不同角度进行了定性或定量研究。韩宝平等[3]研究了煤矿开采引发的水文地质效应问题；张发旺等[4]认为地下水破坏是含水层结构破坏及环境演化的结果；张凤娥等[5]采用数值方法研究了采煤后地下水流场的变化趋势；曹胜根等[6]应用直流电法探测技术研究了采煤底板的突水危险性；张茂省等[7]运用经验公式和数值方法研究了采煤对地下水的影响；许家林等[8]通过现场测试和相似模拟试验研究了煤矿松散承压含水层的突水机理；顾大钊等[9]应用物探方法研究了采煤对地下水赋存环境的影响；孟召平等[10]运用突水危险系数计算了煤矿区第四系松散含水层的突水危险性；武强等[11]评价了煤层底板的突水脆弱性；许志峰[12]等进行了煤矿开采对地下水环境影响评价研究。尽管前人取得了可喜的研究成果，但大多是关于煤层顶板砂岩裂隙水或底板突水问题，而对煤层上覆松散含水层关注较少。在我国的一些煤矿区，煤层上覆松散含水层是当地居民的主要供水含水层，虽然采煤导水裂缝带高度有时不一定能到达该含水层，但会逐渐造成含水层地下水位下降或疏干，严重影响居民的生产生活。到目前为止，煤矿开采对上覆松散含水层影响的深入研究成果还较少，特别是煤层开采厚度变化对上覆松散含水层影响有待深入研究。

某煤矿批准开采二叠系山西组3号煤层，采用综合机械化开采方法，全部垮落式控制顶板。该煤层上覆松散含水层为新近系砾石孔隙含水层和第四系砂砾石孔隙含水层，为矿区居民的主要供水水源，其中新近系含水层为承压含水层，第四系含水层为潜水含水层。为确保煤矿区地下水资源的可持续利用，采用数值模拟方法研究煤层开采厚度变化对上覆松散含水层影响，以期为采煤过程中的地下水资源保护提供科学依据。

1 研究区概况

某煤矿气候属温带大陆性半干旱季风型气候区，地貌类型为黄土丘陵区。井田内沟谷平时干涸无水。根据井田内钻孔揭露，地层由老到新依次为奥陶系中统马家沟组(O2m)，石炭系中统本溪组(C2b)，上统太原组(C3t)，二叠系下统山西组(P1t)，新近系上新统(N2)，第四系上更新统(Q3)，全新统(Q4)。主要含水层为奥陶系灰岩岩溶含水层、石炭系砂岩裂隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、新近系砾石孔隙含水层及第四系砂砾石孔隙含水层。依据煤矿区地质和水文地质等条件，为了将复杂问题简单化便于研究，对研究区二叠系山西组3号煤层上覆地层进行了概化，共划分为6层，从下到上分别为砂岩、泥页岩、砾石、红土、砂砾石及黄土，其中砾石为新近系含水层，砂砾石为第四系含水层，具体情况如表1所示。

表1 3号煤层上覆地层

2 数值模型建立

本研究选用Visual Modflow软件建立地下水流数值模拟模型。根据地层岩性及所处水文地质单元，整体上将3号煤层上覆松散含水层概化为非均质，对于同一含水层而言可概化为均质。研究区上部边界为第四系含水层形成的潜水位边界，属变水头边界条件。煤层开采后含水层地下水位随时间不断变化，因此将地下水流概化为非稳定流。地下水流运动服从达西定律。煤层开采后，地下水流由原来的水平运动转变为垂向运动，概化为垂向一维流。因此，采煤条件下研究区地下水流态为均质、垂向、一维、非稳定潜水水流。

3 数值模型求解

首先选择2008年4月1日至2009年1月30日作为模型的识别阶段，分10个计算时段，各时段步长30d。对10个地下水位长期观测点的计算值与实测值进行比较，经过反复调参，使地下水位计算值与实测值达到较好的拟合，最终得到模型水文地质参数(表2)。经识别，各时段观测点的地下水位计算值与实测值拟合误差小于0.5m者达到86%，符合识别要求。然后选择2009年3月1日至2009年12月30日作为模型的检验时段，分10个计算时段，各时段步长30d，对同样10个地下水位长期观测点进行拟合。经检验，各时段观测点的地下水位计算值与实测值拟合误差小于0.5m者达到92%，符合检验要求。

表2 模型水文地质参数

根据检验可知，所建数值模型是正确的，能够较好地反映采煤条件下的研究区水文地质特征，可用于进行煤层开采厚度变化对上覆松散含水层影响的预报。

4 模型预报及分析

4.1 预报方案确定

以概化的研究区地层为背景，以建好的数值模型为基础，共设计6组预报方案，即煤层开采厚度分别为2，4，6，8，10和12m，用以探讨煤层开采厚度变化对上覆松散含水层影响，各方案的预报模拟时间均为300d。模拟前的新近系含水层地下水位为+998.66m，含水层底板标高为+984.28m。模拟前的第四系含水层地下水位为+1028.48m，含水层底板标高为+1019.85m。

4.2 对新近系含水层影响分析

经模拟计算，新近系含水层在不同煤层开采厚度条件下的地下水位数值模拟结果见图1。

由图1可以看出：在采煤条件下，对于同一厚度煤层来说，新近系含水层在第1个月内地下水位降深值最大，采厚为2，4，6，8，10和12m时的地下水位降深值分别为2.14，3.54，4.32，5.75，6.95和8.2m，均大于2 m。说明在不同煤层开采厚度条件下，煤炭开采产生的导水裂缝带高度均到达了新近系含水层的底板。由于煤层开采初次放顶的缘故，在模拟期第一个月内造成新近系含水层地下水位迅速下降，之后随着采煤的继续进行，新近系含水层在后期各月的地下水位降深值均呈逐渐减小趋势。

图1 不同煤层开采厚度下新近系含水层地下水位变化

在整个模拟期，当采厚为2m时，第300d含水层地下水位下降到+988.65m，高于含水层底板，总水位降深值为10.01m；当采厚为4m时，第300d含水层地下水位下降到+984.42m，高于含水层底板，总水位降深值为14.24m；当采厚为6m时，第300d含水层地下水位下降到+984.26m，低于含水层底板，总水位降深值为14.4m；当采厚为8m时，第270d含水层地下水位下降到+984.25m，低于含水层底板，总水位降深值为14.41m；当采厚为10m时，第150d含水层地下水位下降到+984.27m，低于含水层底板，总水位降深值为14.39m；当采厚为12m时，第120d含水层地下水位下降到+984.26m，低于含水层底板，总水位降深值为14.4m。

以上情况表明，在整个模拟期间，新近系含水层地下水位随着采煤时间的增加逐渐下降或疏干。在采厚小于6m时，该含水层未被疏干；在采厚为6，8，10和12m时，该含水层均被疏干，疏干时间分别为300，270，150和120d。

4.3 对第四系含水层的影响分析

经模拟计算，第四系含水层在不同煤层开采厚度条件下的地下水位数值模拟结果见图2。

图2 不同煤层开采厚度下第四系含水层地下水位变化

由图2可以看出：在采煤条件下，对于同一厚度煤层来说，第四系含水层在第1个月内地下水位降深值最大，采厚为2，4，6和8m时的地下水位降深值分别达到0.51，0.57，0.62和0.75m，均小于1m；而采厚为10，12m时的地下水位降深值分别达到5.22，7.85m，均大于5m。说明煤层开采厚度小于10m时，虽然采煤产生的导水裂缝带高度没有到达第四系含水层底板，但是由于下部新近系含水层地下水位的下降，引起第四系含水层通过下部弱透水层越流向下渗漏，在模拟期的第1个月内造成地下水位缓慢下降，降幅较小；煤层开采厚度为10，12m时，煤炭开采产生的导水裂缝带高度均到达第四系含水层底板，在模拟期的第1个月内造成地下水位迅速下降，降幅远比小采厚时大得多，之后随着煤炭开采的继续进行，第四系含水层在后期各月的地下水位降深值均呈逐渐减小趋势。

在整个模拟期，当采厚为2m时，第300d含水层地下水位下降到+1023.27m，高于含水层底板，总水位降深值为5.21m；当采厚为4m时，第300d含水层地下水位下降到+1022.67m，高于含水层底板，总水位降深值为5.81m；当采厚为6m时，第300d含水层地下水位下降到+1022.15m，高于含水层底板，总水位降深值为6.33m；当采厚为8m时，第300d含水层地下水位下降到+1021.31m，高于含水层底板，总水位降深值为7.17m；当采厚为10m时，第90d含水层地下水位下降到+1019.76m，低于含水层底板，总水位降深值为8.72m；当采厚为12m时，第60d含水层地下水位下降到+1019.73m，低于含水层底板，总水位降深值为8.75m。

综上所述，在模拟期间，第四系含水层地下水位同样随着采煤时间的增加逐渐下降或疏干。

在采厚小于10m时，含水层未被疏干；在采厚为10，12m时，含水层均被疏干，疏干时间为90，60d。

5 结 论

(1)在不同煤层开采厚度条件下，上覆松散含水层的地下水位随着采煤时间的增加逐渐下降或疏干。

(2)对于新近系含水层，在不同采厚条件下，导水裂缝带高度均到达了含水层底板。采厚小于6m时，含水层未被疏干；采厚为6，8，10和12m时，含水层均被疏干。

(3)对于第四系含水层，在采厚小于10m时，导水裂缝带高度没有到达含水层底板，地下水通过弱透水层越流向下渗漏，但含水层未被疏干；在采厚为10，12m时，导水裂缝带高度均到达含水层底板，含水层均被疏干。

(4)受采煤影响，松散含水层主要表现在直接渗漏或越流。煤层开采厚度越大，松散含水层受采煤影响越大。

[1]Stoner J D. probable hydrologic effects of subsurface mining[J]. Groundwater monitoring review，1983，5(1)：51-57.

[2]Booth C J. Strata-movement concepts and the hydrogeological impact of underground coalmining[J]. Groundwater，1986，24(4)：507-515.

[3]韩宝平，郑世书，谢克俊，等.煤矿开采诱发的水文地质效应研究[J].中国矿业大学学报，1994，23(3)：70-77.

[4]张发旺，李 铎，赵 华.煤矿开采条件下地下水资源破坏及其控制[J].河北地质学院学报，1996，19(2)：115-119.

[5]张凤娥，刘文生.煤矿开采对地下水流场影响的数值模拟—以神府矿区大柳塔井田为例[J].安全与环境学报，2002，2(4)：30-33.

[6]曹胜根，姚强岭，王福海，等.承压水体上采煤底板突水危险性分析与治理[J].采矿与安全工程学报，2010，27(3)：346-350.

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[责任编辑：徐乃忠]

Influence Study of Coal Seam Mining Thickness Variation to Overlying Loose Aquifer

ZHANG Zhi-xiang,ZHANG Yong-bo,WANG Xue,GENG Yi-peng，ZHONG Yuan-yuan,TIAN Jia-chao

(School of Hydro Science & Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

In order to ensure underground water resources sustainable utilization of coal mine mining area，influence that coal seam mining thickness variation to overlying loose aquifer was studied with numerical simulation.The results showed that，for Neogene aquifer，when mining thickness smaller than 6m，aquifer was not dewatered，when mining thickness was 6m，8m,10m and 12m,respectively，aquifer was dewatered，and dewater time was 300d,270d,150d and 120d，respectively，but for the Quaternary aquifer，when mining thickness smaller than 10m，auqifer was not dewatered，when mining thickness was 10m and 12m，aquifer was dewatered，its time about 90d and 60d.The results could referenced for mine area loose aquifer underground water resources protection.

coal seam mining thickness，loose aquifer；numerical simulation；underground water

2016-09-23

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.016

国家自然科学基金资助项目(41572221)；山西省自然科学基金资助项目(2014011001-2)；山西省直水资源保护与水资源管理基础能力建设项目(153200031-Q)

张志祥(1970-)，男，山西永济人，博士研究生，讲师，主要从事水文地质和环境地质方面的研究。

张志祥，张永波，王 雪，等.煤层开采厚度变化对上覆松散含水层影响研究[J].煤矿开采，2017，22(2)：61-64.

TD

A

1006-6225(2017)02-0061-04